傳導(dǎo)性DNA堿基分子設(shè)計(jì)及其結(jié)構(gòu)性質(zhì)理論表征.pdf

1、DNA是生物體中存儲(chǔ)和表達(dá)遺傳信息的物質(zhì)基礎(chǔ)，具有自組裝、自我復(fù)制等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)既保證了其作為遺傳信息載體的穩(wěn)定性，也為其作為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)構(gòu)建功能性分子器件提供了可能。DNA骨架具有很強(qiáng)的柔韌性，在將堿基組裝成直鏈壓縮結(jié)構(gòu)方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。而堿基作為DNA的“官能團(tuán)”，在DNA的許多生物功能中都發(fā)揮承載信息和特征識(shí)別的作用。盡管天然堿基在生物體系中成功地承載許多職能，但是考慮到數(shù)量極其巨大的具有各種結(jié)構(gòu)的有機(jī)分子，這四種堿基還是具有很

2、大的局限性，如:DNA的堿基之間在極性或者堆積性能上的差別并不是很大，也沒有表現(xiàn)出很強(qiáng)的親電性和親核性;只提供了四組氧化還原電勢(shì);四種DNA堿基只能吸收紫外范圍的光線，幾乎沒有熒光效應(yīng)等。因此，我們可以設(shè)想去修改或者擴(kuò)充這些性質(zhì)。本文圍繞DNA堿基修飾及其電磁性質(zhì)的研究這一主題開展了一系列的工作，并取得了一些有意義的研究成果，具體如下:
　　 (1)當(dāng)前，新型的DNA結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)令許多人感興趣的課題。最近的研究進(jìn)展表明，

3、與天然堿基相比，雜環(huán)擴(kuò)環(huán)修飾的鳥嘌呤類似物具有更好的性質(zhì)。在這項(xiàng)工作中，我們對(duì)腺嘌呤進(jìn)行了雜環(huán)擴(kuò)環(huán)修飾，并用密度泛函理論和分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法對(duì)擴(kuò)環(huán)腺嘌呤類似物的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，我們?cè)O(shè)計(jì)的腺嘌呤類似物能夠與相應(yīng)的天然堿基結(jié)合從而形成穩(wěn)定的堿基對(duì)，并且這種腺嘌呤類似物與天然的胸腺嘧啶通過沃森-克里克氫鍵相結(jié)合的結(jié)合能與天然堿基對(duì)的結(jié)合能非常接近。其質(zhì)子轉(zhuǎn)移互變異構(gòu)體也與天然腺嘌呤的相關(guān)結(jié)構(gòu)類似。而且，與天然堿基或堿基對(duì)

4、相比，大多數(shù)擴(kuò)環(huán)修飾的腺嘌呤堿基以及堿基對(duì)都具有更低的電離勢(shì)。尤其地，幾種腺嘌呤類似物的電離勢(shì)甚至低于天然的鳥嘌呤。最高占據(jù)軌道和最低未占據(jù)軌道的能差表現(xiàn)出類似的趨勢(shì)，大多數(shù)腺嘌呤類似物及相關(guān)堿基對(duì)的能差都比天然堿基和堿基對(duì)的相應(yīng)值要小。此外，分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果表明，與天然堿基對(duì)一樣，擴(kuò)環(huán)修飾的腺嘌呤與天然胸腺嘧啶結(jié)合形成的堿基對(duì)能夠堆積形成穩(wěn)定的類DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。顯然，這些結(jié)果都意味著雜環(huán)修飾的腺嘌呤在構(gòu)建DNA基分子線和擴(kuò)展基因字

5、母表方面的潛在應(yīng)用價(jià)值。
　　 (2)在嘌呤堿基修飾的工作中，我們證明了擴(kuò)環(huán)修飾鳥嘌呤和腺嘌呤符合擴(kuò)展基因字母表和設(shè)計(jì)具有更好的傳導(dǎo)性能的DNA堿基的設(shè)計(jì)目標(biāo)。因此，我們將此擴(kuò)環(huán)修飾策略應(yīng)用到了嘧啶堿基上，并將其對(duì)嘧啶堿基和嘌呤堿基的不同影響進(jìn)行了比較。我們采用了四種有機(jī)雜環(huán)對(duì)胞嘧啶和胸腺嘧啶進(jìn)行了修飾，分別得到了四種擴(kuò)環(huán)修飾結(jié)構(gòu)。相關(guān)的結(jié)構(gòu)和傳導(dǎo)性質(zhì)用量子化學(xué)計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法來澄清。計(jì)算結(jié)果表明修飾堿基能夠選擇性的與

6、其天然配對(duì)物結(jié)合，并堆積形成雙螺旋，其穩(wěn)定性可與天然DNA相比。由擴(kuò)環(huán)嘧啶堿基和天然嘌呤堿基結(jié)合形成的堿基對(duì)的最高占據(jù)軌道和最低未占據(jù)軌道的能差比天然堿基對(duì)的要小;由擴(kuò)環(huán)堿基對(duì)堆疊形成的雙螺旋直徑擴(kuò)大，螺距與扭轉(zhuǎn)角變小，這些都有利于DNA的傳導(dǎo)性，這個(gè)結(jié)論在電離勢(shì)和自旋密度分布的計(jì)算結(jié)果中同樣得到驗(yàn)證。此外，擴(kuò)環(huán)修飾導(dǎo)致堿基間雙質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的活化能和反應(yīng)熱降低。核磁和紫外吸收光譜的計(jì)算表明，雜環(huán)的引入有利于配對(duì)堿基之間的橫向電子通訊，這

7、顯然有利于沿DNA鏈的電荷傳導(dǎo)。將本文中的計(jì)算結(jié)果與我們報(bào)道過的嘌呤堿基擴(kuò)環(huán)修飾的研究相比較可知，擴(kuò)環(huán)修飾對(duì)嘧啶堿基的影響要大于嘌呤堿基。總之，我們的工作為擴(kuò)環(huán)堿基在擴(kuò)展基因字母表和設(shè)計(jì)DNA基分子導(dǎo)線方面的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。
　　 (3)蛋白質(zhì)與DNA相互作用對(duì)DNA的功能機(jī)制發(fā)揮著極其重要的作用。特別是一些氫鍵基團(tuán)與DNA在大溝、小溝相互作用調(diào)控著DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、信號(hào)傳導(dǎo)、電荷轉(zhuǎn)移等功能過程。因此，本工作選擇了比較常見的

8、質(zhì)子化精氨酸殘基與鳥嘌呤堿對(duì)的作用問題，探討其對(duì)DNA電荷遷移的影響。我們利用密度泛函理論計(jì)算方法對(duì)質(zhì)子化精氨酸殘基的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，并使其在DNA的大溝和小溝方向與鳥嘌呤結(jié)合。選取其中的十種相互作用模式作為研究對(duì)象，并對(duì)其復(fù)合物首先進(jìn)行優(yōu)化，然后選取其中最穩(wěn)定的三種進(jìn)行進(jìn)一步的分析。電離勢(shì)和電子親和勢(shì)的計(jì)算結(jié)果表明，質(zhì)子化精氨酸殘基的結(jié)合導(dǎo)致G-C堿基對(duì)的電離勢(shì)明顯升高，而電子親和勢(shì)降低。DNA中電荷遷移的兩種可能的反應(yīng)途徑分別是空穴

9、轉(zhuǎn)移和電子轉(zhuǎn)移，我們對(duì)這兩種反應(yīng)途徑的活化能和反應(yīng)熱的計(jì)算表明，空穴轉(zhuǎn)移過程的活化能和反應(yīng)熱升高，而電子轉(zhuǎn)移過程的相關(guān)能量數(shù)據(jù)則降低。盡管如此，空穴轉(zhuǎn)移仍然是DNA中電荷遷移的主要反應(yīng)途徑。對(duì)空穴轉(zhuǎn)移反應(yīng)的進(jìn)一步研究表明，質(zhì)子化精氨酸殘基與鳥嘌呤的結(jié)合使得空穴轉(zhuǎn)移反應(yīng)的決速步驟發(fā)生改變。通過對(duì)核小體中沿DNA鏈的電荷遷移反應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的計(jì)算，可以得到以下結(jié)論，質(zhì)子化精氨酸殘基與鳥嘌呤的相互作用對(duì)DNA中電荷遷移的影響程度取決于

10、其相互作用距離，且當(dāng)這個(gè)距離大于7(A)時(shí)，質(zhì)子化精氨酸殘基的影響基本可以忽略。
　　 (4)為了得到能夠構(gòu)建具有更新穎的電磁性質(zhì)的DNA基分子線的結(jié)構(gòu)單元，基于上述的修飾方案，我們?cè)诤怂釅A基的結(jié)構(gòu)當(dāng)中引入了一個(gè)環(huán)戊二烯自由基進(jìn)行擴(kuò)環(huán)修飾。采用對(duì)稱性破缺(BS)的非限制性方法揭示了雙自由基分子的磁相互作用。我們以雙自由基堿基對(duì)和雙自由基雙螺旋為研究體系，分別檢查了堿基對(duì)內(nèi)部和堿基對(duì)之間的磁耦合。我們采用了完全活性空間自洽場(chǎng)方法(

11、CASSCF)對(duì)這些雙自由基體系進(jìn)行了計(jì)算以確定其自旋狀態(tài)。雙自由基體系的磁性特征可采用磁交換耦合常數(shù)(J)來表征。上述研究結(jié)果表明，引入自由基后的核酸堿基(r-bases)具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，其電子自旋密度主要分布在所引入的環(huán)戊二烯自由基五元環(huán)上。對(duì)于雙自由基引入的堿基對(duì)，其能量基態(tài)為對(duì)稱性破缺的開殼層單重態(tài)，并且由J值可知，其堿基對(duì)內(nèi)部的磁相互作用相對(duì)較弱。與此相反，對(duì)于雙自由基引入的雙層堿基結(jié)構(gòu)的研究表明，堿基對(duì)間的磁相互作用相對(duì)較強(qiáng)